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문제 정의
- PSD의 설치로 승강장과 대합실의 공기질이 향상된 대신, 외부로 배출되지 못한 오염된 공기가 터널에 머물게 되었고 이 오염된 공기는 터널을 운행하는 차량에 악영향을 미치게 되었다(권순박 2011). 이에 본 연구에서는 오염된 터널의 공기와 내부에서 발생되는 미세먼지와 CO2를 효과적으로 저감시킬 수 있는 도시철도 객실 공기정화장치(SCAP)을 개발하여 차량내부의 공기질을 쾌적한 상태로 유지시키고자 한다. SCAP은 정전롤필터 방식을 사용하여 PM10뿐만 아니라 PM2.
- 현재 도시철도에 객차 내외에서 발생되는 오염물질을 저감시킬 수 있는 기술은 개발 중이나 유지보수의 어려움으로 인해 차량내 적용이 어려웠었다. 이에 본 연구에서는 유지보수가 쉽고 간편하게 미세먼지와 CO2를 저감 시킬 수 있는 장치개발을 진행 중이며, 적정유량 확보와 차압에 대해 사전 수치해석 연구를 통해 검증 하였다. 특대형 챔버와 시험차량응 활용하여 미세먼지 및 이산화탄소 저감효율에 대한 기초 성능평가 연구를 수행하였으며, 추후 더욱 간단하게 적용될 수 있도록 유지보수성을 극대화 시킬 예정이다.
- 현재 성능평가를 위해 시제품을 2호선 운행차량에 장착하였고 간이 측정장비를 이용해 실시간 모니터링을 수행하고 있다. 장기간에 걸친 성능평가 시험과 운영처 유지보수팀의 종합의견을 반영하여 상용화를 추진하고자 한다. 향후 개발될 시스템은 유닛(unit) 시스템으로 도시철도 객실은 물론 국부적인 특수공간의 종합적인 공기청정시스템으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
제안 방법
- 이에 본 연구에서는 오염된 터널의 공기와 내부에서 발생되는 미세먼지와 CO2를 효과적으로 저감시킬 수 있는 도시철도 객실 공기정화장치(SCAP)을 개발하여 차량내부의 공기질을 쾌적한 상태로 유지시키고자 한다. SCAP은 정전롤필터 방식을 사용하여 PM10뿐만 아니라 PM2.5까지 제거가능하며, 최장 6개월의 교체주기를 가지며, 제올라이트 계열의 흡착제가 CO2를 포함한 유해가스를 동시에 저감시킬 수 있도록 설계하였다. 현재 SCAP은 2호선 운행차량에 장착하여 운행차량 저감성능 평가를 수행중에 있으며, 향후 장치개선 및 유지보수성을 향상시켜 상용화할 계획이다.
- SCAP의 성능향상을 위해 미세먼지와 CO2저감을 위한 개별 유닛인 필터 선정 및 흡착제 개발을 수행하였다. 미세먼지의 경우 일반 자동차 필터로 사용되는 부직포 타입의 필터 2종과 정전필터 3종에 대해 포집효율평가를 수행하였다.
- 단품 시제품의 처리 풍량, 차압 등과 같은 문제점을 보완하여 SCAP의 도면을 작성하였으며 이에 따른 수치해석을 수행하였다. SCAP의 유동현상을 해석하기 위해 상용 수치해석 프로그램은 CFX(ANSYS 社)를 활용하였고, 횡단면과 종단면을 대상으로 수치해석 하였으며, 공기를 흡인함으로서 필터와 충진층에 가해지는 압력강하와 유량의 흐름을 속도벡터 및 압력분포로 확인함으로써 설계유량의 만족여부를 평가하였다. 해석결과 모터가 1,400 rpm으로 회전할 경우 필터의 저항이 없다면, 300 ㎥/h 유량이 청정장치를 통해 순환하는 것으로 나타났고, 해석결과 기준유량의 90% 이상을 유지하기 위해서는 필터의 차압이 약 10 mmH2O이하로 유지되어야 하는 것으로 나타났다.
- 필터와 이산화탄소 흡착제 선정 후 개별 평가를 위한 단일 시제품을 제작하여 평가를 수행하였다. 객실 장착시 적정 풍량과 차압을 선정하여 객실용 공기청정장치(SCAP : Subway Cabin Air Purifer) 개발시 문제점을 파악하였다. 풍량산정을 위한 표준 시험방법에서 사용면적은 공기 청정기가 사용되는 위치, 장소, 천장의 높이, 오염도의 정도 등의 환경변화에 따라 공기 청정도가 크게 다르게 나타나기 때문에 일반 사무실을 기준으로 한 표준 사용 면적을 사용하여 산정하였고, 산정결과 도시철도 객실 1량당 2 대의 시스템을 설치할 경우 각각의 설계풍량은 약 300 ～ 330 ㎥/h으로 나타났다.
- 풍량산정을 위한 표준 시험방법에서 사용면적은 공기 청정기가 사용되는 위치, 장소, 천장의 높이, 오염도의 정도 등의 환경변화에 따라 공기 청정도가 크게 다르게 나타나기 때문에 일반 사무실을 기준으로 한 표준 사용 면적을 사용하여 산정하였고, 산정결과 도시철도 객실 1량당 2 대의 시스템을 설치할 경우 각각의 설계풍량은 약 300 ～ 330 ㎥/h으로 나타났다. 단품 시제품의 처리 풍량, 차압 등과 같은 문제점을 보완하여 SCAP의 도면을 작성하였으며 이에 따른 수치해석을 수행하였다. SCAP의 유동현상을 해석하기 위해 상용 수치해석 프로그램은 CFX(ANSYS 社)를 활용하였고, 횡단면과 종단면을 대상으로 수치해석 하였으며, 공기를 흡인함으로서 필터와 충진층에 가해지는 압력강하와 유량의 흐름을 속도벡터 및 압력분포로 확인함으로써 설계유량의 만족여부를 평가하였다.
- 저감을 위한 개별 유닛인 필터 선정 및 흡착제 개발을 수행하였다. 미세먼지의 경우 일반 자동차 필터로 사용되는 부직포 타입의 필터 2종과 정전필터 3종에 대해 포집효율평가를 수행하였다. K1과 K2는 일반 시중에서 일반적으로 사용되는 필터로서 주로 자동차나 공기청정기의 필터로서 많이 사용되고 있는 제품이다.
- 시제품 제작 시험차량을 대상으로 효율평가를 마친 제품에 대해 형식 인증시험을 수행하였다. 인증시험은 한국철도기술연구원에서 IMV Corpration 社의 Vibration Test Machine을 이용하여 상하․좌우 진동 및 내구성 평가를 수행하였고, 성창에어텍에서 외관검사를 포함한 13가지 항목에 대해 평가를 수행 하였다.
- 시제품 제작 시험차량을 대상으로 효율평가를 마친 제품에 대해 형식 인증시험을 수행하였다. 인증시험은 한국철도기술연구원에서 IMV Corpration 社의 Vibration Test Machine을 이용하여 상하․좌우 진동 및 내구성 평가를 수행하였고, 성창에어텍에서 외관검사를 포함한 13가지 항목에 대해 평가를 수행 하였다. 인증시험은 서울메트로에서 지정한 <공기청정장치 시제품 시험 규격서>에 명시되어 있는 한국 공업표준규격 KS R9156 외 4가지 항목을 대상으로 실시하였고, 온도시험의 등급 적용은 KS R 9156의 제2종 A종으로 실시하였다.
- E3~E5는 정전필터로서 필터표면에 전위를 띄고 있어 하전된 입자에 대한 포집효율이 높은 것이 특징이다. 정전필터의 특성을 알아보기 위해 각 필터에 하전된 정전기적 전하를 비접촉식 표면 전위 측정기(Electrostatic Voltage Monitor, EVM model 102 )를 사용하여 표면 전하를 측정하였다. EVM은 표면 전위를 측정하는데 매우 효과적으로 잘 알려진 진동 캐퍼시터(vibrating capacitor) 기술을 채택하고 있으며 필터의 전하량을 간접적으로 측정하는 실험에 유용하게 사용되고 있다(박현설, 2009).
- 최종 검증된 SCAP 시제품을 현재 운행중인 2호선 운행차량에 장착하여 성능평가를 수행하였다. 2호선은 일평균 153만명이 이용하는 국내 최대 이용호선으로, 최근 도입된 VVVF 전동차 2924편성 2호차량에 SCAP 2대를 장착하였다.
- 측정항목은 의 규제항목인 미세먼지와 CO2 를 대상으로 하였고, 간이 측정장비를 이용하여 실시간 모니터링을 실시하였다.
- 연구원에서 구축하고 있는 특대형 챔버와 실험차량을 대상으로 운행차량 평가에 앞서 선행 연구를 수행하였다. 특대형 챔버는 일정온도 조건하에서 냉난방 부하 및 온열환경, 온습도 등을 조절하면서 도시 철도 차량에 대한 환경평가를 수행 할 수 있으며, 본 연구에서는 특대형 챔버내부에 실험차량을 투입후 환경조건을 유지시켜 주면서 SCAP 시험차량 성능평가를 수행하였다. 실험차량은 서울메트로 3호선 구간을 운행하던 실제 차량으로서 SCAP의 실제 운행차량 적용시 문제점과 효율을 평가하기 위해 내부 상판을 제거하고 SCAP 시제품을 장착 후 실험을 수행하였다.
- 필터와 이산화탄소 흡착제 선정 후 개별 평가를 위한 단일 시제품을 제작하여 평가를 수행하였다. 객실 장착시 적정 풍량과 차압을 선정하여 객실용 공기청정장치(SCAP : Subway Cabin Air Purifer) 개발시 문제점을 파악하였다.
- 흡착제의 경우 기존 흡착제에 대한 흡착능력과 재질별 효율에 대해 평가하였고 최종적으로 제올라이트 계열의 흡착제를 개발하여 성능평가를 수행하였다. 흡착제는 CO2 포집을 위해 일반적으로 사용되는 Zeolite와 LiOH를 혼합 사용하였고, 바인더와 알루미나 젤을 혼합하여 흡착제의 강도를 개선하였다. 흡착제의 경우 차량에 장착 후 진동과 흡착제간의 마찰로 인해 파쇄․객실 배출의 위험이 있어 포집효율과 강도 증대를 위한 여러번의 믹싱 실험을 수행하였다.
- 흡착제의 경우 기존 흡착제에 대한 흡착능력과 재질별 효율에 대해 평가하였고 최종적으로 제올라이트 계열의 흡착제를 개발하여 성능평가를 수행하였다. 흡착제는 CO2 포집을 위해 일반적으로 사용되는 Zeolite와 LiOH를 혼합 사용하였고, 바인더와 알루미나 젤을 혼합하여 흡착제의 강도를 개선하였다.
- 흡착제는 CO2 포집을 위해 일반적으로 사용되는 Zeolite와 LiOH를 혼합 사용하였고, 바인더와 알루미나 젤을 혼합하여 흡착제의 강도를 개선하였다. 흡착제의 경우 차량에 장착 후 진동과 흡착제간의 마찰로 인해 파쇄․객실 배출의 위험이 있어 포집효율과 강도 증대를 위한 여러번의 믹싱 실험을 수행하였다. 연구수행결과 Zeolite 25%, LiOH 70%, 바인더 5% 일 때 흡착효율과 내구성이 최대인 것으로 나타났다.
대상 데이터
- 특대형 챔버는 일정온도 조건하에서 냉난방 부하 및 온열환경, 온습도 등을 조절하면서 도시 철도 차량에 대한 환경평가를 수행 할 수 있으며, 본 연구에서는 특대형 챔버내부에 실험차량을 투입후 환경조건을 유지시켜 주면서 SCAP 시험차량 성능평가를 수행하였다. 실험차량은 서울메트로 3호선 구간을 운행하던 실제 차량으로서 SCAP의 실제 운행차량 적용시 문제점과 효율을 평가하기 위해 내부 상판을 제거하고 SCAP 시제품을 장착 후 실험을 수행하였다.
- 연구원에서 구축하고 있는 특대형 챔버와 실험차량을 대상으로 운행차량 평가에 앞서 선행 연구를 수행하였다. 특대형 챔버는 일정온도 조건하에서 냉난방 부하 및 온열환경, 온습도 등을 조절하면서 도시 철도 차량에 대한 환경평가를 수행 할 수 있으며, 본 연구에서는 특대형 챔버내부에 실험차량을 투입후 환경조건을 유지시켜 주면서 SCAP 시험차량 성능평가를 수행하였다.
- 운행차량 평가는 SCAP 장착차량(2호차)과 옆 차량(3호차)를 대상으로 실시하였다. 측정항목은 <대중 교통 수단 실내공기질 가이드라인>의 규제항목인 미세먼지와 CO2 를 대상으로 하였고, 간이 측정장비를 이용하여 실시간 모니터링을 실시하였다.
- 인증시험은 서울메트로에서 지정한 에 명시되어 있는 한국 공업표준규격 KS R9156 외 4가지 항목을 대상으로 실시하였고, 온도시험의 등급 적용은 KS R 9156의 제2종 A종으로 실시하였다.
- 제품은 차량운행 및 승객이용에 불편이 없도록 차량 천정내부 라인데리아팬 옆 빈 공간에 장착 가능하도록 설계하였으며, 150(H) × 295(W) × 950(L) 10kg으로 제작하였다.
이론/모형
- 측정항목은 <대중 교통 수단 실내공기질 가이드라인>의 규제항목인 미세먼지와 CO2 를 대상으로 하였고, 간이 측정장비를 이용하여 실시간 모니터링을 실시하였다. 측정방법은 장착차량과 비장착차량에 각각 미세먼지 측정장비 (Optocal Particle Sizer-광산란법, TSI 社)와 CO2측정장비(IndoorAir IQ-NDIR법, Graywolf 社)를 사용하여 10초 단위로 데이터를 저장하여 저감효율을 평가하였다. 추후 미세먼지는 중량법(Mini Vol, Air Matrics 社)을 사용하여 정밀측정을 수행도 병행 할 예정이며, 성능평가 결과와 피드백을 바탕으로 기기의 성능을 향상시킬 계획이다.
성능/효과
- 흡착제의 경우 차량에 장착 후 진동과 흡착제간의 마찰로 인해 파쇄․객실 배출의 위험이 있어 포집효율과 강도 증대를 위한 여러번의 믹싱 실험을 수행하였다. 연구수행결과 Zeolite 25%, LiOH 70%, 바인더 5% 일 때 흡착효율과 내구성이 최대인 것으로 나타났다.
- 객실 장착시 적정 풍량과 차압을 선정하여 객실용 공기청정장치(SCAP : Subway Cabin Air Purifer) 개발시 문제점을 파악하였다. 풍량산정을 위한 표준 시험방법에서 사용면적은 공기 청정기가 사용되는 위치, 장소, 천장의 높이, 오염도의 정도 등의 환경변화에 따라 공기 청정도가 크게 다르게 나타나기 때문에 일반 사무실을 기준으로 한 표준 사용 면적을 사용하여 산정하였고, 산정결과 도시철도 객실 1량당 2 대의 시스템을 설치할 경우 각각의 설계풍량은 약 300 ～ 330 ㎥/h으로 나타났다. 단품 시제품의 처리 풍량, 차압 등과 같은 문제점을 보완하여 SCAP의 도면을 작성하였으며 이에 따른 수치해석을 수행하였다.
- SCAP의 유동현상을 해석하기 위해 상용 수치해석 프로그램은 CFX(ANSYS 社)를 활용하였고, 횡단면과 종단면을 대상으로 수치해석 하였으며, 공기를 흡인함으로서 필터와 충진층에 가해지는 압력강하와 유량의 흐름을 속도벡터 및 압력분포로 확인함으로써 설계유량의 만족여부를 평가하였다. 해석결과 모터가 1,400 rpm으로 회전할 경우 필터의 저항이 없다면, 300 ㎥/h 유량이 청정장치를 통해 순환하는 것으로 나타났고, 해석결과 기준유량의 90% 이상을 유지하기 위해서는 필터의 차압이 약 10 mmH2O이하로 유지되어야 하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 측정방법은 장착차량과 비장착차량에 각각 미세먼지 측정장비 (Optocal Particle Sizer-광산란법, TSI 社)와 CO2측정장비(IndoorAir IQ-NDIR법, Graywolf 社)를 사용하여 10초 단위로 데이터를 저장하여 저감효율을 평가하였다. 추후 미세먼지는 중량법(Mini Vol, Air Matrics 社)을 사용하여 정밀측정을 수행도 병행 할 예정이며, 성능평가 결과와 피드백을 바탕으로 기기의 성능을 향상시킬 계획이다.
- 이에 본 연구에서는 유지보수가 쉽고 간편하게 미세먼지와 CO2를 저감 시킬 수 있는 장치개발을 진행 중이며, 적정유량 확보와 차압에 대해 사전 수치해석 연구를 통해 검증 하였다. 특대형 챔버와 시험차량응 활용하여 미세먼지 및 이산화탄소 저감효율에 대한 기초 성능평가 연구를 수행하였으며, 추후 더욱 간단하게 적용될 수 있도록 유지보수성을 극대화 시킬 예정이다. 현재 성능평가를 위해 시제품을 2호선 운행차량에 장착하였고 간이 측정장비를 이용해 실시간 모니터링을 수행하고 있다.
- 장기간에 걸친 성능평가 시험과 운영처 유지보수팀의 종합의견을 반영하여 상용화를 추진하고자 한다. 향후 개발될 시스템은 유닛(unit) 시스템으로 도시철도 객실은 물론 국부적인 특수공간의 종합적인 공기청정시스템으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 5까지 제거가능하며, 최장 6개월의 교체주기를 가지며, 제올라이트 계열의 흡착제가 CO2를 포함한 유해가스를 동시에 저감시킬 수 있도록 설계하였다. 현재 SCAP은 2호선 운행차량에 장착하여 운행차량 저감성능 평가를 수행중에 있으며, 향후 장치개선 및 유지보수성을 향상시켜 상용화할 계획이다.
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